Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn dựa trên cảm biến âm microphone electret (Design and make a sound level meter by using a transducer electret microphone)

Âm học acoustics: Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự lan truyền của sóng âm thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua lại của nó với vật chất cụ thể nó nghiên

ÂM HỌC VÀ TIẾNG ỒN

Tổng quan về âm học

1 Âm học (acoustics): Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự lan truyền của sóng âm thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua lại của nó với vật chất cụ thể nó nghiên cứu về cường độ âm, nguồn sinh âm, sự lan truyền và tác động của âm thanh

2 Âm thanh và tiếng ồn: a Âm thanh là khái niệm liên quan đến các hiện tượng ảnh hưởng đến thính giác và các hiện tượng liên hệ đến dao động và sóng cơ học Âm thanh là các dao động cơ học (biến đổi vị trí qua lại) của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng Âm thanh, giống như nhiều sóng, được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh) Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động, trong dải tần số từ khoảng 20 Hz đến khoảng 20 kHz, của các phân tử không khí, và lan truyền trong không khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ não

Tuy nhiên âm thanh có thể được định nghĩa rộng hơn, tuỳ vào ứng dụng, bao gồm các tần số cao hơn hay thấp hơn tần số mà tai người có thể nghe thấy, và không chỉ lan truyền trong không khí, mà trong bất cứ vật liệu nào Trong định nghĩa rộng này, âm thanh là sóng cơ học và theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất, sóng này cũng có thể coi là dòng lan truyền của các hạt phonon, các hạt lượng tử của âm thanh b Tiếng ồn: là khái niệm thuộc về âm thanh nhưng âm thanh đó trở nên khó nghe hoặc không ai muốn nghe Cả tiếng ồn và âm nhạc đều là các âm thanh Trong việc truyền tín hiệu bằng âm thanh, tiếng ồn là các dao động ngẫu nhiên không mang tín hiệu c Ngày nay tiếng ồn và âm thanh có mặt khắp mọi nơi, đối với người này nó là âm thanh nhưng đối với người khác nó là tiếng ồn Ví dụ một cuộc tranh luận là âm thanh nhưng đối với những người xung quanh đó là tiếng ồn

- Con người bắt đầu tìm hiểu các hiện tượng liên quan đến âm thanh vào đầu thế kỷ 6, khi đó trường phái Pythagore cũng đang tìm hiểu về dây rung và nguyên lý tạo thang âm Sau đó triết gia Hy Lạp Aristote (384-322 trước công nguyên) và kiến trúc sư người La Mã Vitruve (thế kỷ 1 trước công nguyên) cũng đưa ra các phát biểu về liên quan đến bản chất của âm thanh

- Từ những kinh nghiệm tích lũy được của các thế kỷ trước và việc nghiên cứu về tần số rung của dây đàn, nhà bác học Pháp Mersenne (1588-1648) và nhà bác học Ý Galieo Galilei (1564-1642) đã đưa ra lý thuyết rõ ràng hơn về sóng âm và tần số của sóng vào đầu thế kỷ 17 Và nhà bác học người Hà Lan Huygens (1692-1695) đã hoàn thiện kết quả này bằng việc giải thích các hiện tượng liên quan đến âm thanh và ánh sáng vào năm 1960 và khởi đầu nền khoa học về âm thanh

- Trong thế kỷ 18, các nhà khoa học đã phát triển lý thuyết truyền âm và xây dựng thuật toán cụ thể cho lý thuyết này Người bắt đầu lý thuyết này là nhà bác học vĩ đại người Anh Newton (1642-1727), sau đó đến nhà toán học người Thụy Sĩ Euler

(1707-1783) và hai nhà toán học nổi tiếng người Pháp de Lagrange (1736-1813) và d’Alembert (1717-1783)

- Tiếp đến thế kỷ 19 là sự ứng dụng lý thuyết cơ bản và ứng dụng vào kỹ thuật thực nghiệm Trong đó 3 công trình phổ biến nhất là: phép phân tích âm thanh là công trình của nhà vật lý Đức Helmholtz (1821-1894), nhà vật lý Pháp Savart (1791-

1841) và nhà toán học Pháp rất nổi tiếng, Fourier (1768-1830), công trình nối tiếp là về đo vận tốc truyền âm của nhà hóa học Pháp Regnault (1810-1878), và cách hình dung những rung động của âm ba là công trình nghiên cứu của nhà vật lý người Pháp gốc Đức K.R.Koenig

- Một công trình xuất chúng của nhà bác học Anh J.W.Strutt (Rayleigh) (1842- 1919) trong thế kỷ 20 là “Lý thuyết về âm thanh” Từ đó âm thanh được chia nhỏ thành nhiều nhánh (âm học dưới biển, kiến trúc, phi tuyến….)

4 Những đặc tính của sóng âm:

- Tần số, chu kỳ và bước sóng:

Tần số f của một phân tử là số dao động phân tử đó thực hiện được trong một giây Đơn vị của tần số là Hertz (Hz) Tai người có thể nghe được trong khoảng từ 20 đến 20 000 Hz và nhạy nhất ở tần số từ 1 đến 3 kHz Để xử lý tiếng ồn trong công nghiệp người ta chỉ quan tâm đến khoảng tần số từ 62 Hz đến 16 kHz vì ngoài khoảng này độ nhạy của tai người giảm đi khá nhiều

Sóng âm hình sin có dạng đơn giản x(t) = Acosωt trong đó A là biên độ của sóng âm và ω là vận tốc dao động với ω = 2πf = , [rad/s]

T là chu kỳ, là thời gian mà phân tử thực hiện một dao động

Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai điểm tương tự trên hai đợt sóng kế tiếp nhau

Tương quan giữa bước sóng λ và tần số f và vận tốc truyền v: λ = = v.T , [m]

Vận tốc âm thanh truyền trong không khí được tính bằng v = 20.05√ , [m/s]

K T là nhiệt độ của không khí, đơn vị là Kelvin

K T = 273.2 0 + T C Vận tốc âm thanh truyền trong các môi trường vật liệu khác nhau thì khác nhau nghĩa là bước sóng sẽ khác nhau trong các vật liệu khác nhau Và bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số, tần số thấp thì tỷ lệ nghịch với bước sóng dài Điều đó rất quan trọng trong việc giảm tiếng ồn ở tần số thấp

5 Nguồn âm vá sóng âm tương ứng

- Sóng phẳng: là sóng có đặc điểm mặt sóng phẳng và song song nhau Sóng này tồn tại trong những ống tròn và tại những tần số nhất định Sóng phẳng có tính chất giữ được biên độ sóng bất biến giữa khoảng cách nơi phát và nơi thu

Một sóng phẳng có dạng tổng quát như sau:

Trong đó A là hằng số biên độ và kx là pha ban đầu

Sóng hình cầu là sóng có bề mặt hình cầu và đồng tâm, được phát ra từ một nguồn âm điểm, có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách đến nơi phát và nơi thu Biên độ áp suất âm thanh của sóng hình cầu giảm dần theo khoảng cách R từ nguồn âm đến điểm nhận Phương trình sóng hình cầu có dạng:

A là biên độ áp suất, R là khoảng cách từ điểm phát đến điểm thu, kx là pha ban đầu

Sóng hình trụ đặc trưng bởi bề mặt sóng hình trụ Chúng phát sinh khi nguồn âm tạo ra sóng hình cầu kéo dài, như âm thanh phát ra từ tàu hỏa chạy trên đường ray Biên độ sóng hình trụ giảm √r, trong đó r là khoảng cách từ nguồn phát đến điểm thu Phương trình sóng hình trụ được biểu diễn dưới dạng:

P (r,t) √ ej (ωt – kx) r là khoảng cách giữa nguồn và điểm nhận, A là hằng số biên độ và kx là pha ban đầu

6 Các hiện tƣợng chính trong âm học:

Tương tự như ánh sáng, sóng âm sẽ bị hấp thụ, truyền qua và nhiễu xạ khi gặp mặt phân cách giữa 2 môi trường Ngoài ra nó còn gây ra hiện tượng vang dội

Khái niệm độ ồn

1 Để đặc trưng cho độ lớn hay mức cường độ âm thanh người ta đưa ra khái niệm độ ồn Khi nghiên cứu về sự thu nhận âm qua tai người, Alexander Graham Bell đã khám phá ra rằng tai người phản ứng với âm lượng theo hàm loga Từ đó nhà ông đề nghị một đơn vị tính mức năng lượng như sau:

Mức năng lƣợng Bel = log

Trong đó W 0 là năng lượng tham chiếu và W là năng lượng được quan tâm

Trong thực tế ta thường gặp những tỉ lệ tương đối nhỏ hơn nên người ta dùng một đơn vị khác nhỏ hơn gọi là decibel (=1/10 bel), viết tắt là dB và được mô tả bằng công thức:

Mức năng lượng dB = 10 log [dB]

2 Mức công suất âm thanh: Áp suất âm thanh p (gọi tắt là thanh áp): Âm thanh truyền lan đến đâu thì làm thay đổi áp suất không khí ở đó Áp suất do âm thanh tạo thêm ra một điểm gọi là thanh áp ở điểm đó Đơn vị thanh áp là bar Một bar là thanh áp tác động lên một diện tích 1cm2 một lực là 1 đin, 1bar = 1 đin/cm2

Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua một diện tích S trong thời gian một giây

Công suất âm thanh P có thể tính bằng công thức:

Trong đó p là thanh áp, v là tốc độ dao động của một phần tử không khí tại đó và S là diện tích Công suất âm thanh tính theo watt (W)

Sau đây là công suất âm thanh của một số nguồn âm Số liệu này chỉ có tính chất tham khảo

Công suất là giá trị đánh giá khả năng hoạt động của các thiết bị như động cơ, quạt và dụng cụ điện Đơn vị đo công suất thường là Watt (W) Trong lĩnh vực âm học, công suất âm thanh là đại lượng đo năng lượng âm thanh truyền tải trong một đơn vị thời gian Biểu đồ sau cung cấp thông tin về công suất âm thanh tương ứng với một số hoạt động điển hình, giúp chúng ta có thể so sánh dễ dàng: Máy bay phản lực: 10.000W, Búa máy: 1W, Ô tô vận tải phóng nhanh: 0,12W, Nói chuyện bình thường: 0,0003W.

Mức công suất của âm thanh được tính bằng tỉ lệ năng suất âm thanh đối với năng suất tham khảo:

Trong đó W là năng suất âm thanh được quan tâm, W 0 là năng suất âm thanh tham chiếu, W 0 = 10 -12 w

3 Mức cường độ âm thanh:

Cường độ âm thanh I là lượng năng lượng được sóng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông (kí hiệu: W/m 2 ).Giá trị của cường độ này tùy thuộc vào hình dạng của sóng (sóng phẳng, hình cầu hoặc hình trụ) Đối với tai con người, giá trị tuyệt đối của cường độ âm I không quan trọng bằng giá trị tỉ đối của I so với một giá trị I0 nào đó chọn làm chuẩn Người ta định nghĩa mức cường độ âm L là lôga rít thập phân của tỷ số I/I 0

Trong đó I là cường độ âm thanh đo được, và I0 là cường độ âm thanh tham chiếu, 10 -12 W/m 2 Đơn vị mức cường độ âm là Ben (kí hiệu: B) Như vậy mức cường độ âm bằng 1,2,3,4 B điều đó có nghĩa là cường độ âm I lớn gấp 10, 10 2 , 10 3 , 10 4 cường độ âm chuẩn I 0

Trong thực tế người ta thường dùng đơn vị đêxiben (kí hiệu: dB), bằng 1/10 ben

Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben

Khi L= 1dB, thì I lớn gấp 1.26 lần I 0 Đó là mức cường độ âm nhỏ nhất mà tai ta có thể phân biệt được

Ba đại lượng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cường độ âm thanh gắn liền với nhau: P = IS = pvS Cả ba đều biểu thị đồ thị lớn nhỏ của âm thanh Âm thanh có nặng lượng càng lớn thì công suất, cường độ và áp suất của âm thanh càng lớn

Cần lưu ý là thành áp tỷ lệ với căn bậc hai của công suất âm thanh, khi ta tăng công suất âm thanh lên 1 lần thì thanh áp chỉ tăng 2 lần, nếu tăng công suất âm thanh lên 9 lần thì thanh áp chỉ tăng 3 lần.

Tiếng ồn và con người

Trong lao động tiếng ồn đã gây ra nhiều bệnh về tai, ảnh hưởng đến tâm lý của công nhân Do đó nhiều nước phát triển đã nghiên cứu khá kỹ về ảnh hưởng của tiếng ồn đến khả năng nghe của con người Trước hết ta tìm hiểu sơ lược về tai, mối tương quan giữa tai và âm thanh, cuối cùng là ảnh hưởng của tâm lý do tiếng ồn

1 Tai người: cấu trúc của tai được mô tả như hình bên dưới gồm ba thành phần chính Tài ngoài, tai giữa và tai trong

Hình 6: Cấu tạo tai người a Tai ngoài: là phần ngoài thấy được của tai Nó có nhiệm vụ thu thập âm thanh và đưa âm thanh vào màng nhĩ Lỗ tai có nhiệm vụ là bộ cộng hưởng ở tần số 3kHz, tần số trung bình của vùng nghe được Màng nhĩ là màng mỏng sẽ rung lên theo áp suất âm thanh đi vào Tần số cộng hưởng của màng nhĩ là 1.4 kHz Áp suất trên bề mặt của màng nhĩ lớn hơn 10 lần áp suất khí b Tai giữa: là khoang không khí, ngăn cách với bên ngoài là màng nhĩ và tai trong bằng cửa sổ hình tròn và hình trái bầu dục Thành phần chính của tai giữa là ống Eustache và ba lóng xương nhỏ Ống Eustache có nhiệm vụ cân bằng áp suất hai bên màng nhĩ Màng nhĩ được nối vào xương búa, xương này nối với xương đe rồi đến xương bàn đạp và xương bàn đạp nối với cửa sổ hình bầu dục Tai trong hoạt động như một máy chuyển đổi trở kháng, nó chuyển trở kháng thấp của không khí sang trở kháng cao của chất lỏng bạch huyết trong ốc tai Nếu không có trở kháng này sẽ tạo ra sự bất đối xứng và gây mất mát âm khoảng 30 dB vì cửa sổ hình bầu dục nhỏ hơn màng nhĩ từ 15 đến 30 lần

Tai giữa truyền sóng âm vào tai trong và điều chỉnh độ căng của các cơ theo cường độ âm, nhưng quá trình này không diễn ra tức thời Khi âm thanh mạnh bất ngờ phát ra, các cơ không kịp phản ứng, dẫn đến áp lực quá lớn gây hại cho tai Sau khi tiếng ồn lớn dừng lại, tai vẫn ù do các cơ cần thời gian để thích nghi Tai trong chứa bộ phận quan trọng nhất là ốc tai, gồm ba khoang thông với nhau: vịn tiền đình, vịn ốc tai và vịn màng nhĩ Vịn tiền đình và vịn màng nhĩ ngăn cách nhau bởi màng nền, cho phép bạch huyết trong ốc tai lưu thông dễ dàng.

Màng nền dài khoảng 3cm và rộng khoảng 0.02 cm, trên màng nền chứa những tế bào như lông mao kết nối với 24000 đầu dây thần kinh Khi cửa sổ bầu dục chuyển động làm cho màng nền chuyển động rồi truyền vào các tế bào rồi đi đến dây thần kinh Não cảm nhận chuyển động này như âm thanh

2 Tương quan giữa tai và âm thanh

Tai người hoạt động như một bộ phân tích tần số và cũng có khả năng lọc mức áp suất âm thanh a Phân tích giải tần số: Để hiểu rõ tính chất của một âm thanh, ta cần xác định mức âm ở mỗi tần số Những mức âm thường được tính theo quãng tám của tần số

Tần số âm thanh nghe được thường được chia thành mười quãng tám có tần số trung tâm và băng thông được tiêu chuẩn hóa Phạm vi tần số nghe được từ 20 đến 20.000 Hz bao gồm mười quãng tám tương ứng với các tần số trung tâm là 31,5; 63; 125; 250; 500; 1.000; 2.000; 4.000; 8.000 và 16.000 Hz.

Trên thực tế, thiết bị đo âm thanh thường được tích hợp bộ lọc chuyên biệt để phân tích âm thanh thành các dải hẹp 1/3 hoặc 1/10 quãng tám Các dải âm thanh này sẽ được xử lý dựa trên cường độ và cân bằng theo một đường đặc tính riêng biệt.

Các đường cân bằng đó và mức âm thanh kết hợp được chuẩn hóa để đánh giá ảnh hưởng của tiếng ồn lên thính giác người

Người ta đã chuẩn hóa ba đường cân bằng A, B và C Mạng cân bằng A được dùng cho âm thanh yếu dưới 55 dB, mạng cân bằng B dùng cho âm thanh trong khoảng 55 đến 85 dB và mạng C dành cho âm thanh mạnh trên 85 dB Hiện nay mạng A là mạng phổ biến nhất và được dùng để đo đạc ảnh hưởng của tiếng ồn đến thính giác con người vì sự tương quan khá tốt của mạng A và sự đáp ứng chủ quan của tiếng ồn

3 Ảnh hưởng tiếng ồn đến tâm lý

Như được đề cập tiếng ồn là sự quấy nhiễu hoặc quá tải của âm lượng đến tai người nghe a Tiếng ồn nghe đƣợc: cùng một loại tiếng ồn mỗi người sẽ cảm thấy mức độ khó chịu khác nhau do ảnh hưởng từ môi trường sống lúc nhỏ nên sẽ có trải nghiệm riêng khác nhau Tuy nhiên có những đặc điểm chung của tiếng ồn mà sẽ làm hầu hết mọi người khó chịu Đó là:

Tiếng ồn tập trung năng lượng trong một dải tần số hẹp sẽ làm người ta cảm thấy ồn hơn là tiếng ồn trải ra trong dải tần rộng hơn

Tiếng ồn có thời gian tăng trưởng nhanh sẽ cho cảm giác ồn hơn tiếng ồn có thời gian tăng trưởng chậm

Tiếng ồn có tính gián đoạn ngẫu nhiên sẽ làm cho ta cảm thấy ồn hơn tiếng ồn ổn định hoặc đều

Và tiếng ồn ở tần số cao (hơn 1.5 kHz) sẽ ồn hơn tiếng ồn ở tần số thấp b Âm nền khó nghe: ta thường gặp nhiều trường hợp âm nền quá lớn làm cho cuộc đối thoại trở nên khó khăn Trong môi trường lao động, âm nền lớn dễ gây nguy hiểm Ví dụ công nhân khó nghe hết những chỉ thị thay báo động nguy hiểm tại nhà máy

Tiếng ồn là âm thanh có hại thường xuyên gặp trong môi trường làm việc công nghiệp Nếu tiếng ồn quá lớn kéo dài thường xuyên có thể gây bệnh điếc vĩnh viễn Đây chính là bệnh điếc do nghề nghiệp gây ra a Mệt mỏi thính giác: khi chịu đựng tiếng ồn trong những tuần lễ đầu người ta nhận thấy thính giác bị giảm sút, tiếp đến là thính giác phục hồi chậm khi tiếng ồn chấm dứt Nếu thính giác không có thời gian nghỉ ngơi và tiếp tục bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn sẽ làm mất độ thính của tai Nếu một người chịu tiếng ồn 110 dB trong vòng 15 phút, người đó cần nguyên ngày để phục hồi hoàn toàn lại thính giác Tổ chức y tế thế giới WHO đã tóm tắt hậu quả của thính giác khi bị ảnh hưởng của tiếng ồn như sau:

Xáo trộn sinh lý: các tế bào thính giác của tai trong và tế bào thần kinh hệ thính giác bị mệt, làm giảm lượng máu đi vào tế bào

Giảm khả năng nghe (tạm thời): độ nhạy, khả năng phán đoán và tính chọn lọc của tai bị giảm

Mất khả năng nghe: khi có âm nền, tai bị mất khả năng phát hiện, phán đoán, suy xét

Tàn tật: thính giác bị hư hại nặng, khi nói chuyện phải lên giọng to và yêu cầu người nói cũng phải nói to b Yếu thính giác: ngoài tiếng ồn còn một tác nhân khác cũng làm cho thính giác bị yếu chính là tuổi tác Các nghiên cứu cho thấy khi về già đàn ông bị điếc nhiều hơn đàn bà đặc biệt ở tần số cao Bên dưới là hình diễn tả sự mất mát khả năng nghe theo độ tuổi

Hình 7: Đồ thị biểu diễn sự suy giảm thính giác theo tuổi tác (Nam và nữ) c Điếc: Tiếng ồn làm cho thính giác bị mệt mỏi Khi tiếng ồn kéo dài và lặp lại nhiều lần làm cho thính giác giảm khả năng hồi phục và dần dần sẽ dẫn đến bệnh điếc vĩnh viễn không hồi phục được Tiếng ồn lớn kéo dài sẽ làm cho màng nền dao động mạnh dẫn đến tế bào lông mao bị phá hủy khi ma sát với bạch huyết Tai người có khoảng 17000 tế bào thính giác bị chết và không thể điều trị được

Hình 8: Chấn thương do tiếng ồn

5 Nguyên lý đo độ ồn

- Đo độ ồn là chuyển đổi sự thay đổi áp suất khí, âm thanh thành tín hiệu được để xử lý bằng các linh kiện điện tử

CẢM BIẾN ÂM

Microphone electret

loại mic và đưa lý do dùng electret mic

Microphone là linh kiện giao tiếp giữa vùng âm thanh và hệ thống đo Nó đáp ứng theo áp suất âm và chuyển thành tín hiệu điện để xử lý bởi thiết bị đo Thiết bị tốt nhất không thể cho tín hiệu tốt hơn ngõ ra của microphone Do đó microphone đóng một vai trò rất quan trọng trong thiết bị đo Việc chọn và dùng microphone phải hết sức cẩn thận để tránh nhiễu và lỗi và phải biết trước đặc điểm kỹ thuật của microphone đó như đáp ứng tần số, độ ổn định và độ nhạy, để đánh giá nó có thỏa yêu cầu cho một thiết bị đo hay không

Người ta chia microphone thành 4 loại: microphone áp điện, microphone tụ điện, microphone electret và microphone động

1 Microphone áp điện: là microphone có màng rung được gắn với tinh thể áp điện và tạo ra dòng điện khi có lực căng cơ học Nguyên lý hoạt động của microphone này là khi không khí dao động tạo ra sóng âm, màng rung tạo sóng âm này và tạo áp lực lên tinh thể áp điện và chuyển dao động này thành tín hiệu điện Ưu điểm của loại microphone này là ổn định, cho tín hiệu mạnh và ít bị ảnh hưởng của điều kiện khí hậu xung quanh

2 Trong microphone tụ điện, màng rung được gắn song song với một bản cố định để tạo thành tụ điện Ta cấp một điện thế phân cực (DC) giữa hai bản tụ này Khi sóng âm tạo dao động trên màng rung, điện dung giữa hai bản cực thay đổi và tạo ra tín hiệu điện nhỏ Microphone loại này chính xác hơn những loại khác và được dùng hầu hết trong các máy đô âm chính xác Tuy nhiên chúng dễ bị ảnh hưởng của bụi và độ ẩm

3 Một loại microphone tụ điện khác được dùng khá phổ biến là electret Trong trường hợp này hiệu điện thế được tạo thành nhờ sự tích điện cố định (tích điện tĩnh-static charge) trên một bản tụ và không cần điện áp phân cực bên ngoài Loại microphone này ít bị ảnh hưởng bởi bụi và độ ẩm so với microphone có điện áp phân cực ngoài

4 Loại microphone cuối cùng có màng rung được gắn vào một cuộn dây nằm giữa vùng từ trường, khi microphone dao động tạo sự khác biệt điện thế giữa các cực của cuộn dây Đây là tín hiệu cần được xử lý Microphone động có độ bền cơ học nhưng do đáp ứng tần số thấp làm giới hạn mạnh khả năng dùng của nó trong việc đo âm.

Cấu tạo và nguyên lý của microphone

1 Cấu tạo: microphone gồm vỏ, bản tụ (có tích điện tĩnh-static charge), màng rung, nắp đậy và IC đệm Trong đó màng rung và bản tụ tạo thành hai mặt của tụ điện với điện tích được nạp vào bản tụ Ba thành phần quan trọng nhất quyết định đặc tính kỹ thuật và độ chính xác của microphone đó là IC đệm, màng rung và bản tụ

2 Nguyên lý hoạt động của microphone: Âm thanh đi vào ống dẫn thanh sẽ làm rung màng mỏng – Do miếng đệm đã tích điện sẵn nên trên màng rung sẽ ghi nhận sự thay đổi điện áp (nó giống như 1 tụ điện với 1 bảng cực là miếng đệm, 1 bảng cực là màng rung) Dây kết nối sẽ truyền tín hiệu thay đổi đến mạch điện, mạch điện sẽ ghi nhận sự thay đổi và khuếch đại âm thanh cho lớn hơn ở đầu ra Kết quả là ở ngõ ra chúng ta có một tín hiệu điện mô phỏng theo sự thay đổi âm thanh ở đầu vào a IC đệm: được cấu tạo bởi sự tích hợp rất nhiều thành phần điện tử bên trong Nó có nhiệm vụ nhận sự thay đổi tín hiệu ở đầu vào và khuếch đại tín hiệu đó lớn lên ở đầu ra Và đó là linh kiện đắt tiền nhất trong microphone Tùy theo cấu tạo, yêu cầu của từng loại microphone mà IC đệm được thiết kế khác nhau, về kỹ thuật và đặc tính điện

Hình 11: IC đệm loại lớn và loại nhỏ

Hình 12: IC đệm trong microphone b Bản tụ: Miếng đệm được cấu tạo bởi 3 thành phần cơ bản: Kim loại, Teflon và

Kapton Nhiệm vụ của miếng đệm là tích một lượng điện cố định trước khi lắp vào micrô

Hình 13: Cấu tạo bản tụ c Màng rung: Màng rung được cấu tạo gồm một khung kim loại trên đó có 1 lớp màng mỏng Lớp màng mỏng được phủ một lớp vàng dùng để dẫn điện trên toàn bề mặt Màng rung có nhiệm vụ nhận sự thay đổi áp suất không khí ở đầu vào (do âm thanh gây ra), nó sẽ rung theo độ cao hay thấp của âm thanh

Ngoài ra membrane còn có chức năng chia case ra làm 2 phần riêng biệt

Hình 14: Cấu tạo màng rung

Thông số quan trọng của microphone

1 Độ nhạy của microphone Độ nhạy (hay còn gọi là sensitivity) của microphone được định nghĩa là biên độ tín hiệu ngõ ra đối với áp suất âm tại 1 Pa (94 dB) ở 1000 Hz Độ nhạy = 20 log

[dB] hay [V/Pa] hay độ nhạy = 20 logVì vậy nếu microphone cho tín hiệu V = 10 mV với áp suất 1Pa (94 dB) sẽ có độ nhạy 10 mV/Pa hoặc -40 dB Ở đây p0 = 1Pa và V 0 = 1 volt

Thông thường khi đề cập đến độ nhạy của một microphone ta mặc định là độ nhạy tại 1 kHz vì đó là tần số cơ bản của tín hiệu

Hình 15: Đặc tuyến và độ nhạy của mic Các thông số ảnh hưởng đến độ nhạy của microphone: IC đệm, điện áp của bản tụ, màng rung, kapton và kích thước của case

Là tần số mà tại đó đáp ứng của microphone là cực đại hay là tần số đo được tại vị trí cộng hưởng

Hình 16: Tần số đỉnh của đặc tuyến Các thông số ảnh hưởng đến tần số đỉnh là màng rung, lưới, miếng đệm dưới bản tụ

Là độ lệch của độ nhạy khi đo giữa tần số thấp (50 Hz or 75 Hz or 100 Hz) so với tần số 1 kHz

Hình 17: Delta LF Các thông số ảnh hưởng đến delta LF là IC đệm, lỗ bù màng rung và hàn không kín xung quanh

Là độ lệch của độ nhạy khi đo giữa tần số cộng hưởng (peak) so với tần số 1khz

Hình 18: Delta peak Các thông số ảnh hưởng đến delta peak là màng rung, lưới, miếng đệm dưới bản tụ

5 Đáp ứng tần số Đáp ứng tần số là mức ngõ ra hay độ nhạy của microphone trên khoảng tần số hoạt động của nó từ thấp nhất đến cao nhất Nó bao gồm 2 loại: Đáp ứng phẳng: Đối với các tần số mà tai người nghe được (khoảng từ 20 Hz đến 20 kHz) có cùng mức ngõ ra Đáp ứng này thích hợp cho các ứng dụng tái tạo nguồn âm mà không làm thay đổi âm thanh gốc như việc ghi âm

Vài microphone được thiết kế để cho đặc tính đáp ứng phẳng khi hướng truyền của âm vuông góc với màng rung Những âm thanh này được gọi là microphone trường tự do và được hướng về nguồn âm quan trọng nhất Hình 2 minh họa đặc tính đáp ứng tần số của microphone này

Hình 19: Đáp ứng tần số của microphone trường tự do (0 0 )

Số lượng đường cong thể hiện góc của sóng âm đến tương ứng với trục vuông góc với màng rung Đáp ứng được chỉnh sửa: thường được thiết kế để tăng cường nguồn âm cho ứng dụng đặc trưng Ví dụ microphone có thể có đỉnh trong khoảng 2 đến 8 kHz để tăng khả năng nghe đối với các âm trực tiếp

Hình 20: Đáp ứng tần số của mic có chỉnh sửa

THIẾT KẾ MÁY ĐO ĐỘ ỒN CHƯƠNG 3: LINH KIỆN CHÍNH DÙNG CHO THIẾT KẾ

Kích thước của microphone

Hình 21: Kích thước của mic 65GC31T

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật:

2 Đáp ứng tần số của microphone:

Hình 22: Đáp ứng tần số của mic 50GC30

3 Đặc tính nhiễu của microphone: là giá trị ghi nhận được khi microphone không bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài Khi đo nhiễu người ta sẽ cách ly microphone trong một buồng kín, cách âm, cách ánh sáng, và từ trường ngoài

Hình 23: Đặc tính nhiễu của mic 50GC30

Các thông số ảnh hưởng đến nhiễu là loại IC đệm, màng rung, bản tụ bị bẩn, mic bị xì

II Vi xử lý dùng ATMEGA8:

Vi điều khiển ATmega8159 là vi điều khiển 8 bit công suất thấp trên nền tảng kiến trúc RISC Với cấu trúc gồm 512 byte EEPROM, 512 byte SRAM nội, 8 kênh ADC 10 bit và nhiều tính năng khác, vi điều khiển này đạt được hiệu suất xử lý cao với tốc độ một triệu phép tính trong một giây ATmega8159 được tích hợp giao diện truyền thông nối tiếp USART và SPI, bộ so sánh tương tự, bộ định thời watchdog lập trình được và nhiều chế độ ngủ khác nhau để tiết kiệm năng lượng Vi điều khiển này hoạt động với điện áp từ 4,5 đến 5,5 V và tần số hoạt động từ 0 đến 16 MHz.

Kiểu mã kết quả trả về hiệu quả hơn trong khi thời gian nhanh gấp 10 lần so với vi điều khiển kiểu CISC thông thường

Hình 24: Sơ đồ khối ATMEGA8

Program memory bus có độ rộng 16 bits và chỉ phục vụ cho thanh ghi lệnh (instruction) Là bộ nhớ Flash lập trình được bộ nhớ chương trình chỉ gồm 2 phần là Application Flash Section và phần Boot Flash setion Dung lượng của bộ nhớ chương trình là 8Kbytes

Hình 25: Cấu trúc bộ nhớ của ATMEGA8

Bộ nhớ dữ liệu: Đây là phần chứa các thanh ghi quan trọng nhất của chip, việc lập trình cho chip phần lớn là truy cập bộ nhớ này Bộ nhớ dữ liệu có dung lượng khoảng 1632 bytes, về cơ bản phần bộ nhớ này được chia thành 5 phần:

Phần 1: là phần đầu tiên trong bộ nhớ dữ liệu, như mô tả trong hình 1, phần này bao gồm 32 thanh ghi có tên gọi là register file (RF), hay General Purpose

Phần 2: là phần nằm ngay sau register file, phần này bao gồm 64 thanh ghi được gọi là 64 thanh ghi nhập/xuất (64 I/O register) hay còn gọi là vùng nhớ I/O (I/O Memory) Vùng nhớ I/O là cửa ngõ giao tiếp giữa CPU và thiết bị ngoại vi Tất cả các thanh ghi điều khiển, trạng thái…của thiết bị ngoại vi đều nằm ở đây

Phần 3: RAM tĩnh, nội (internal SRAM), là vùng không gian cho chứa các biến

(tạm thời hoặc toàn cục) trong lúc thực thi chương trình, vùng này tương tự các thanh RAM trong máy tính nhưng có dung lượng khá nhỏ, 1KB

Phần 4: RAM ngoại (external SRAM), các chip AVR cho phép người sử dụng gắn thêm các bộ nhớ ngoài để chứa biến, vùng này thực chất chỉ tồn tại khi nào người sử dụng gắn thêm bộ nhớ ngoài vào chip

Phần 5: EEPROM (Electrically Ereasable Programmable ROM) là một phần quan trọng của các chip AVR mới, vì là ROM nên bộ nhớ này không bị xóa ngay cả khi không cung cấp nguồn nuôi cho chip, rất thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ dữ liệu Phần bộ nhớ EEPROM được tách riêng và có địa chỉ tính từ 0x0000, nó có dung lượng 512 bytes

Interrupts, hay được gọi là ngắt, là một tín hiệu khẩn cấp gởi đến bộ xử lý, yêu cầu bộ xử lý tạm ngừng tức khắc các hoạt động hiện tại để “nhảy” đến một nơi khác thực hiện một nhiệm vụ khẩn cấp nào đó, nhiệm vụ này gọi là trình phục vụ ngắt – isr (interrupt service routine) Sau khi kết thúc nhiệm vụ trong isr, bộ đếm chương trình sẽ được trả về giá trị trước đó để bộ xử lý quay về thực hiện tiếp các nhiệm vụ còn dang dở Như vậy, ngắt có mức độ ưu tiên xử lý cao nhất, ngắt thường được dùng để xử lý các sự kiện bất ngờ nhưng không tốn quá nhiều thời gian

Hình dưới minh họa cách tổ chức ngắt thông thường trong các chip AVR

Hình 26: Các vector ngắt và Reset trên chip Atmega8

Tổng quan các bộ Timer/Counter trên chip Atmega8:

Timer/Counter là các module độc lập với CPU Chức năng chính của các bộ Timer/Counter, như tên gọi của chúng, là định thì (tạo ra một khoảng thời gian, đếm thời gian…) và đếm sự kiện Trên các chip AVR, các bộ Timer/Counter còn có thêm chức năng tạo ra các xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation), ở một số dòng AVR, một số Timer/Counter còn được dùng như các bộ cân chỉnh thời gian (calibration) trong các ứng dụng thời gian thực Các bộ Timer/Counter được chia theo độ rộng thanh ghi chứa giá trị định thời hay giá trị đếm của chúng, cụ thể trên chip Atmega8 có 2 bộ Timer 8 bit (Timer/Counter0 và Timer/Counter2) và 1 bộ 16 bit (Timer/Counter1) Chế độ hoạt động và phương pháp điều khiển của từng Timer/Counter cũng không hoàn toàn giống nhau, ví dụ ở chip Atmega8:

Timer/Counter0: là một bộ định thời, đếm đơn giản với 8 bit Gọi là đơn giản vì bộ này chỉ có 1 chế độ hoạt động (mode) so với 5 chế độ của bộ Timer/Counter1

Chế độ hoạt động của Timer/Counter0 gồm hai chế độ nhỏ và cũng là hai chức năng cơ bản: tạo khoảng thời gian và đếm sự kiện.

Timer/Counter1: là bộ định thời, đếm đa năng 16 bit Bộ Timer/Counter này có 5 chế độ hoạt động chính Ngoài các chức năng thông thường, Timer/Counter1 còn được dùng để tạo ra xung điều rộng PWM dùng cho các mục đích điều khiển Có thể tạo 2 tín hiệu PWM độc lập trên các chân OC1A (chân 15) và OC1B (chân 16) bằng Timer/Counter1

Timer/Counter2: tuy là một module 8 bit như Timer/Counter0 nhưng

Ngoài 4 chế độ hoạt động như Timer/Counter 1, Timer/Counter 2 còn hoạt động ở chế độ bất đồng bộ, giúp hiệu chỉnh thời gian cho các ứng dụng thời gian thực.

Hình 27: Sơ đồ khối timer/counter 4 Chuyển đổi ADC trên AVR

Chip AVR ATmega8 của Atmel có tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit Có tất cả 8 kênh đơn (các chân ADC0 đến ADC7), 16 tổ hợp chuyển đổi dạng so sánh, trong đó có 2 kênh so sánh có thể khuếch đại ADC trong AVR là loại chuyển đổi xấp xỉ lần lượt (successive approximation ADC)

ADC trên AVR cần được “nuôi” bằng nguồn điện áp riêng ở chân AVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip (VCC) quá +/-0.3V

Đặc tính nhiễu của microphone

bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài Khi đo nhiễu người ta sẽ cách ly microphone trong một buồng kín, cách âm, cách ánh sáng, và từ trường ngoài

Hình 23: Đặc tính nhiễu của mic 50GC30

Các thông số ảnh hưởng đến nhiễu là loại IC đệm, màng rung, bản tụ bị bẩn, mic bị xì

II Vi xử lý dùng ATMEGA8:

Nó là vi điều khiển có cấu trúc khá phức tạp, có đầy đủ chức năng của họ AVR ATmega8159 là vi điều khiển CMOS 8bit công suất thấp trên nền kiến trúc kiểu RISC Vào/ra: Analog - digital và có thể ngược lại Bằng việc thực hiện câu lệnh trong một chu kỳ xung nhịp đơn, ATmega8159 đạt được một triệu phép tính trong 1 giây với tần số 1MHZ với tốc độ xử lý cao Cấu trúc của ATmega8159 trong hình 1 gồm 512 Byte EEPROM với 100.000 lần viết/xoá 512 Byte SRAM nội, hai bộ định thời 8bit và các chế độ chọn tần số xung nhịp riêng, một bộ định thời 16 bit và các chế độ chọn tần số xung nhịp riêng, 4 kênh PWM, 8 kênh ADC 10 bit, giao diện BUS hai dây truyền thông nối tiếp USART, giao diện nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), bộ so sánh tương tự trên chip, bộ định thời watchog có thể lập trình được với mạch dao động riêng trên chíp ATmega8159 khởi động khi bật nguồn, mạch dao động RC nội, các nguồn ngắt ngoại và nội, có 6 chế độ ngủ: IDLE, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, Standby và Standby mở rộng(mạch dao động tiếp tục chạy khi ngoại vi duy trì standby cho phép khởi động

Vi xử lý dùng cho máy đo độ ồn là ATMEGA 8 bit

từ 0 - 16 MHZ Đặc biệt với vi điều khiển ATmega8159 là nhóm các lệnh làm việc với 32 thanh ghi đa năng nối trực tiếp với ALU đồng thời cho phép hai thanh ghi độc lập truy cập đồng thời trong một chu kỳ xung nhịp khi thực thi một lệnh